chapter1-1讲解.ppt

工程优化方法(Optimal Methods in Engineering) 主讲：花广如 机械设计教研室 绪 论 基本要求 1．对机械优化设计有一个整体的认识和了解； 2．掌握机械优化设计的概念； 3．通过多个机械优化设计的实例讲解，建立优化设计的感性认识，并了解优化设计所包含的几个关键组成部分。 学时分配 2 学时 教学内容 绪 论 重点和难点 1、帮助学生理解传统设计和优化设计的区别； 2、对机械优化设计有一个整体的认识和了解。 3、通过多个机械优化设计的示例讲解，帮助学生理解优化设计所包含的几个关键组成部分。 4、如何从工程实际问题中提取出优化设计的目标函数、约束条件和自变量。 案例一 CAPP(计算机辅助工艺设计)领域 进行工艺路线优化，获取加工成本最低的工艺计划 案例二 CAE分析领域（如工艺参数优化） 齿轮毛坯热锻成形工艺参数优化 案例三 CAM领域：刀具轨迹优化 模具数控切削加工的工艺优化 切削参数优化选择 案例四 PS(生产调度)领域 所谓调度，就是为了实现某一目的而对共同使用的资源进行时间分配。 作业调度是指在一定期间内分配生产任务给各个加工单位（包括工段、班组、工作地和加工设备），根据加工工艺和负荷的可能性，确定各加工单位的作业开始时间和作业结束时间，并进行作业顺序编号，此类问题可以归结为作业车间调度问题（Job-Shop Scheduling Problem，JSSP） 在作业调度时，可以用最小作业时间、最大流程时间、平均流程时间、最大延期量、平均延期量等指标来进行评价。在实际的生产组织过程中，作业调度所追求的目标一般是在保证工件按时完工的前提下，争取以最小作业时间完成所有的加工任务。 案例五 CAD结构 设计领域： 将换热器芯体厚度的函数关系式简化为 假设风机运行时的风速 有n 种情况, 则其对应的发电功率与散热量有n 个值。选定了一组cc与ch 翅片对组合, 按照上式可得到分别满足n 种情况的n 个换热器芯体厚度c 值, 即c1, c2, c3, ?, cn。要保证所选用的厚度值能满足各种风况下的冷却需求, 那么，所选c 值应为n 种情况中的最大值, 即有 在此基础上, 通过改变Z 种气液侧翅片对组合, 可得到Z 个满足设计需求的换热器芯体厚度cmax1, cmax2, ?, cmaxZ , 由此可得Z 个相应的液侧阻力和换热器重量。换热器芯体的优化计算任务就是从多种设计方案中得到既能满足系统变工况散热需求, 又能使系统能耗或重量最小的气液侧翅片组合方案。 考虑到风力发电机通常在大于8 m/s 的风速下工作, 所以，只计算风速为8～ 25 m/s 的情况, 并选定每隔1 m/s 为一个状态点, 共计18 种风况。 受加工因素的限制, 气侧翅片从5 种平直型翅片中选择, 液侧翅片从5 种锯齿型翅片中选择, 则气液侧翅片对组合共有25 种组合。 计算结果可知, 采用cc1 与ch1 的翅片对组合可使换热器尺寸最为紧凑、重量最轻, 从而有利于机组的高空运行。 案例六 CAD形状设计领域： 连杆是内燃机关键零件。在进行连杆设计时，希望能得到一个重量轻且安全可靠的连杆结构尺寸。这依靠传统设计方法是无法得到最优设计结果的，采用形状优化设计则可满足上述设计要求。 设计变量初值为： = 5. 5， =3.2, =3, =3.3, =3. 8;目标函数初值为W=3. 513kg。 案例七 系统优化设计： 对该系统的优化设计, 是根据负载的大小和安装地点的风能、太阳能资源, 合理选择光伏阵列的倾角、风力发电机的额定转速, 优化配置光伏阵列的额定功率、风力发电机的额定功率、蓄电池和柴油机的额定容量, 并确定系统最优电能控制策略, 以达到降低系统投资和提高系统运行可靠性的目的。 案例八 其它领域： 医学领域：如医疗器械中做腰椎间盘突出和脑外手术等精密手术时用到的引导装置自动定位 管理领域：整数规划、最大流问题； 物流领域：如图论中经典的最短路径问题、TSP问题（Travelling Salesman Problem，旅行商问题） 、立体仓库中的路径优化问题等 可见，优化设计应用的领域很广，几乎遍及当前已知的所有科研领域 部分优化算法 较近提出的部分优化算法 （1）模拟退火算法、遗传算法、禁忌有哪些信誉好的足球投注网站算法等 参考文献：邢文训，谢金星，《现代优化计算方法》，清华大学出版社，2001 （2）蚂蚁算法、人工神经网络方法、粒子群优化、人工免疫 、Memetic算法、Local?Search算法及其变种等 参考文献：王凌，《智能优化算法及其应用 》，清华大学出版社，2001 绪